Olimpíada Brasileira de Robótica. Manual de Estudos. Manual de Estudos. Prova Teórica

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1 Olimpíada Brasileira de Robótica Manual de Estudos Manual de Estudos Prova Teórica Versão 3 Março 2016

2 Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP Centro Universitário da FEI - FEI Universidade Estadual Paulista UNESP Universidade Federal do Rio Grande do Norte UFRN Universidade Federal de São Carlos UFSCar Universidade Federal de São João Del Rei UFSJ Universidade Federal do Rio Grande FURG Universidade Federal do Espirito Santo UFES Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovação MCTI Ministério da Educação MEC Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior CAPES Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq Fundo Nacional de Desenvolvimento da Educação FNDE RoboCup Brazil Sociedade Brasileira de Computação SBC Sociedade Brasileira de Automática SBA Este documento é de propriedade da Olimpíada Brasileira de Robótica e pode ser distribuído e reproduzido livremente, sem alteração de seu conteúdo original. Olimpíada Brasileira de Robótica Manual de Estudos / fls Relatório Técnico 1. Ensino Fundamental. 2. Ensino Médio. 3. Ensino Técnico. 2

3 Manual de Estudos ORGANIZAÇÃO OLIMPÍADA BRASILEIRA DE ROBÓTICA COORDENADORA GERAL OBR 2016 Profa. Dra. Esther Luna Colombini - Unicamp Vice-Coordenador Geral OBR 2016 Prof. Dr. Rafael Vidal Aroca - UFSCar Coordenador Nacional da Modalidade Prática OBR 2016 Profa. Daniele Ortiz Hoffman Bonício Coordenadora Nacional da OBR 2016 Profa. Dra. Tatiana de Figueiredo Pereira Alves Taveira Pazelli CONSELHO SUPERIOR DA OBR Prof. Dr. Aquiles Medeiros Filgueira Burlamaqui (UFRN) Prof. Dr. Alexandre da Silva Simões (UNESP) Profa. MSc. Carmen Ribeiro Faria Santos (UFES) Profa. Dra. Esther Luna Colombini (UNICAMP) Prof. Dr. Flavio Tonidandel (FEI) Prof. Dr. Luiz Marcos Garcia Gonçalves (UFRN) Prof. Dr. Reinaldo Augusto da Costa Bianchi (FEI) Profa. Dra. Silvia Silva da Costa Botelho (FURG) Coordenador OBR 2007: Prof. Dr. Jackson P. Matsuura ITA Coordenador OBR 2008: Prof. Dr. Luiz Marcos G. Gonçalves UFRN Coordenador OBR 2009: Prof. Dr. Alexandre da S. Simões UNESP Coordenador OBR 2010: Prof. Dr. Alexandre da S. Simões UNESP Coordenador OBR 2011: Prof. Dr. Luiz Marcos G. Gonçalves UFRN Coordenador OBR 2012: Prof. Dr. Aquiles M. F. Burlamaqui UFRN Coordenador OBR 2013: Prof. Dr. Flavio Tonidandel FEI Coordenador OBR 2014: Prof. Dr. Flavio Tonidandel FEI Coordenador OBR 2015: Profa. Dra. Esther Luna Colombini - UNICAMP 3

4 Manual de Estudos INTRO DUÇÃO C umprindo seu papel de atuar como instrumento para a melhoria dos ensinos fundamental e médio, bem como de instrumento para a identificação de jovens talentosos que podem ser estimulados a seguir carreiras científico-tecnológicas, a OBR, através de seu comitê pedagógico, desde 2009 norteia suas provas escritas tendo como princípio a robótica como uma ferramenta para ajudar a aprender. Desta forma, a OBR busca oferecer novas possibilidades e estímulos para o aprendizado, utilizando a tecnologia como ferramenta para ampliar seu pensamento e estimulando novos mecanismos de aprendizagem. 4

5 Este documento apresenta uma série de tópicos para apoiar os alunos do ensino fundamental e médio no estudo para a Olimpíada Brasileira de Robótica (OBR). Este documento servirá, também, de guia de conteúdo para elaboração das provas da OBR. As provas da OBR são organizadas em 6 níveis, conforme a seguinte estrutura: NÍVEIS E DURAÇÕES Nível 0: Corresponde ao 1º Ciclo dos Parâmetros Curriculares Nacionais. Destinada aos alunos regularmente matriculados no 1º ano do Ensino Fundamental no regime de 9 anos. Duração da prova: 1 hora. Nível 1: Corresponde ao 1º Ciclo dos Parâmetros Curriculares Nacionais. Destinada aos alunos regularmente matriculados na 1ª ou na 2ª série do Ensino Fundamental no regime de 8 anos e no 2º ou no 3º ano no regime de 9 anos. Duração da prova: 2 horas. Nível 2: Corresponde ao 2º Ciclo dos Parâmetros Curriculares Nacionais. Destinada aos alunos regularmente matriculados na 3ª ou na 4ª série do Ensino Fundamental no regime de 8 anos e no 4º ou no 5º ano no regime de 9 anos. Duração da prova: 2 horas. Nível 3: Corresponde ao 3º Ciclo dos Parâmetros Curriculares Nacionais. Destinada aos alunos regularmente matriculados na 5ª ou na 6ª série do Ensino Fundamental no regime de 8 anos e no 6º ou no 7º ano no regime de 9 anos. Duração da prova: 2 horas. Nível 4: Corresponde ao 4º Ciclo dos Parâmetros Curriculares Nacionais. Destinada aos alunos regularmente matriculados na 7ª ou na 8ª série do Ensino Fundamental no regime de 8 anos e no 8º ou no 9º ano no regime de 9 anos. Duração da prova: 2 horas. Nível 5: Destinada aos alunos regularmente matriculados em qualquer ano do Ensino Médio ou Técnico. Duração da prova: 4 horas. 5

6 Eixos Cognitivos A OBR atende ao princípio da robótica como estímulo para o aprendizado de tecnologia e preparar o aluno para o futuro. Desta forma, a OBR não só irá cobrar do aluno conteúdos específicos de robótica, mas também oferecer a ele novas possibilidades e estímulos para seu aprendizado, buscando utilizar a tecnologia como ferramenta para ampliar seu pensamento e estimulando novos mecanismos de aprendizagem, exigindo conhecimento de diferentes disciplinas da grade curricular convencional quando aplicados à temática de robótica. Tudo isso, montado sobre 5 eixos cognitivos que espera-se o aluno ter domínio: Dominar linguagens (DL): as diferentes linguagens serão abordadas em questões unificadas, utilizando a característica integradora inata da robótica para que se possa analisar o domínio de linguagens como: dominar a norma culta da Língua Portuguesa e fazer uso das linguagens: matemática, artística e científica e das línguas espanhola e inglesa de modo compatível com o desenvolvimento sócio-cognitivo do público participante. Compreender fenômenos (CF): construir e aplicar conceitos das várias áreas do conhecimento para a compreensão de fenômenos naturais, de processos históricogeográficos, da produção tecnológica e das manifestações artísticas utilizando a robótica como instrumento. Nesse âmbito, a robótica será apresenta como ferramenta estimuladora de novos mecanismos de aprendizagem e raciocínio sobre esses fenômenos. Enfrentar situações-problema (SP): os estudantes serão convidados a apresentar suas estratégias de organização para enfrentar as situações-problema do âmbito da robótica apresentadas pelo comitê da OBR, de modo compatível com seu 6

7 desenvolvimento sócio-cognitivo. O objetivo é que possam ser avaliadas condutas de enfrentar situações-problema (SP): selecionar, organizar, relacionar, interpretar dados e informações representados de diferentes formas, para tomar decisões elaboradas no contexto da robótica. Construir argumentação (CA): Os estudantes serão convidados a apresentar suas argumentações para justificar/defender as estratégias de ação escolhidas para o enfrentamento das situações-problema apresentadas pelo comitê da OBR, de modo compatível com seu desenvolvimento sócio-cognitivo. Os estudantes apresentarão suas argumentações para justificar/defender as estratégias de ação escolhidas para o enfrentamento das situações-problema apresentadas pelo comitê da OBR. Elaborar propostas (EP): recorrer aos conhecimentos desenvolvidos na escola para elaboração de propostas de intervenção solidária na realidade, respeitando os valores humanos e considerando a diversidade sociocultural. Os estudantes explicitarão um planejamento para resolver as situações-problema apresentadas pelo comitê da OBR, de modo compatível com o desenvolvimento sócio-cognitivo do público. 7

8 NÍVEL 0 Competências Esperadas Prova Teórica Baseado nos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN Nível 0 compreende o 1º ano do Ensino Fundamental (1º Ciclo dos PCN) Língua Portuguesa (Volume 02 dos PCNs) Leitura e compreensão de contos, mitos e lendas populares, receitas, instruções, relatos, entrevistas, anúncios e notícias. Matemática (Volume 03 dos PCNs) Números naturais e sistema de numeração decimal: reconhecimento de números; situações que envolvem contagem, medidas, comparação e ordenação. Operações com números naturais: formulação de situações-problema simples; utilização dos sinais +, -, x, e = na escrita de operações e na resolução de situações-problema. 8

9 Espaço e forma: localização no espaço com base em pontos de referência; relações de tamanho e forma; observação, identificação, construção e representação de formas geométricas. Grandezas e medidas: comparação de grandezas de mesma natureza; utilização de instrumentos de medida conhecidos simples; identificação de unidades de tempo: dia, mês, bimestre, semestre, ano; reconhecimento de cédulas de moeda em circulação no Brasil; leitura de horas em relógios digitais e de ponteiros. Tratamento da informação: interpretação de informações em imagens; uso de números para organizar informações (exemplos: linhas de ônibus, número de telefone, placa de carro, número de sapato); intepretação e elaboração de listas e tabelas simples de dupla entrada. Ciências Naturais (Volume 04 dos PCNs) Ambiente: comparação de diferentes ambientes naturais e construídos; identificação de diferentes estratégias de sustentação e locomoção. Ser humano e saúde: comparação do corpo e dos comportamentos do ser humano e de outros animais. Recursos tecnológicos: conhecimento de origens e algumas propriedades de materiais e formas de energia cotidianos; investigação de processos artesanais e industriais simples. Robótica (Conteúdo específico) Saber identificar um robô e suas capacidades gerais. 9

10 Manual de Estudos NÍVEL 1 Competências Esperadas Prova Teórica Baseado nos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN Nível 1 compreende as séries inicias do Ensino Fundamental I (1o. Ciclo dos PCNs 1ª e 2ª série, ou 2º e 3º ano do novo regime) Língua Portuguesa (Volume 02 dos PCNs) Leitura e compreensão de contos, mitos e lendas populares, receitas, instruções, relatos, entrevistas, anúncios e notícias. Matemática (Volume 03 dos PCNs) Números naturais e sistema de numeração decimal: reconhecimento de números; situações que envolvem contagem, medidas, comparação e ordenação. Operações com números naturais: formulação de situações-problema simples; utilização dos sinais +, -, x, e = na escrita de operações e na resolução de situações-problema. 10

11 Espaço e forma: localização no espaço com base em pontos de referência; relações de tamanho e forma; observação, identificação, construção e representação de formas geométricas. Grandezas e medidas: comparação de grandezas de mesma natureza; utilização de instrumentos de medida conhecidos simples; identificação de unidades de tempo: dia, mês, bimestre, semestre, ano; reconhecimento de cédulas de moeda em circulação no Brasil; leitura de horas em relógios digitais e de ponteiros. Tratamento da informação: interpretação de informações em imagens; uso de números para organizar informações (exemplos: linhas de ônibus, número de telefone, placa de carro, número de sapato); intepretação e elaboração de listas e tabelas simples de dupla entrada. Ciências Naturais (Volume 04 dos PCNs) Ambiente: comparação de diferentes ambientes naturais e construídos; identificação de diferentes estratégias de sustentação e locomoção. Ser humano e saúde: comparação do corpo e dos comportamentos do ser humano e de outros animais. Recursos tecnológicos: conhecimento de origens e algumas propriedades de materiais e formas de energia cotidianos; investigação de processos artesanais e industriais simples. Robótica (Conteúdo específico) Saber identificar um robô e suas capacidades gerais. 11

12 Manual de Estudos NÍVEL 2 Competências Esperadas Prova Teórica Baseado nos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN Nível 2 compreende as séries finais do Ensino Fundamental I (2º Ciclo dos PCNs 3ª e 4ª série, ou 4º e 5º ano do novo regime) Língua Portuguesa (Volume 02 dos PCNs) Leitura e compreensão de contos, mitos e lendas populares, instruções e relatos, entrevistas e notícias, entrevistas, debates, anúncios comerciais, relatos históricos, revistas, classificados, textos normativos, estatutos e declaração de direitos. Coerência e coesão: relação causa/consequência; relações lógico-discursivas. Relações entre recursos expressivos e efeitos de sentido: identificação de efeitos de ironia e humor. Matemática (Volume 03 dos PCNs) Numeração: reconhecimento de números naturais e racionais; comparação e ordenação de números racionais; localização de números racionais em reta numérica; representação fracionária de números naturais. 12

13 Operações: operações básicas com números naturais; soma e subtração de números racionais de forma decimal; cálculo simples de porcentagens; interpretação, formulação e resolução de situações-problema. Espaço e forma: representação de posição no espaço; representação do espaço; composição de figuras tridimensionais; simetria; ampliação e redução de figuras planas. Grandezas e medidas: comparação de grandezas de mesma natureza; unidades de medida e seus múltiplos (como metro, milímetro, centímetro, litro, mililitro, etc); unidades de tempo e temperatura; sistema monetário brasileiro; cálculo de perímetro e área de figuras desenhadas em malha quadriculada. Tratamento da informação: interpretação de tabelas e gráficos; média aritmética; conceito de probabilidade; identificação de possibilidades de combinar elementos de uma coleção. Ciências Naturais (Volume 04 dos PCNs) Ambiente: identificação de diferentes tipos de solo; relação entre troca de calor e mudança de estados físicos. Ser humano e saúde: identificação de aparelhos e sistemas e suas funções para compreender o corpo como um todo integrado. Recursos tecnológicos: reconhecimento e nomeação de fontes de energia; comparação de ferramentas, equipamentos e utensílios; situações-problema envolvendo água, lixo, solo, poluição e saneamento básico. Robótica (Conteúdo específico) Identificar e classificar características de robôs e suas funcionalidades. Códigos: Interpretação de códigos de programação simples. 13

14 Manual de Estudos NÍVEL 3 Competências Esperadas Prova Teórica Baseado nos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN Nível 3 compreende as séries iniciais do Ensino Fundamental II (3º Ciclo dos PCNs 5ª e 6ª série, ou 6º e 7º ano do novo regime) Língua Portuguesa (Volume 02 dos PCNs) Compreensão e interpretação de textos formais de forma individual e relacionada com outros textos. Matemática (Volume 03 dos PCNs) Números: reconhecimento de números; exploração de situações em que indicam falta, diferença, orientação (origem) e deslocamento entre dois pontos; localização de números racionais em reta numérica. Operações: parte/todo, quociente, razão; potência com expoente inteiro positivo ou expoente nulo; raiz quadrada e raiz cúbica; porcentagens; variáveis e expressões algébrica simples. 14

15 Espaço e forma: sistema de coordenadas cartesianas; identificação e classificação de figuras bidimensionais e tridimensionais; verificação que a soma dos ângulos internos de um triangulo é 180. Grandezas e medidas: comprimento, massa, capacidade, superfície, volume, ângulo, tempo, temperatura, velocidade; memórias de computador: byte, quilobyte, megabyte, gigabyte (uso da potenciação); uso de régua. Tratamento da informação: intepretação de gráficos e tabelas; média aritmética; probabilidade. Ciências Naturais (Volume 04 dos PCNs) Ambiente: compreensão de cadeias alimentares; características adaptativas dos seres vivos. Recursos tecnológicos: comparação e classificação de diferentes equipamentos de uso cotidiano segundo sua finalidade, energias envolvidas e princípios de funcionamento. Língua Estrangeira (Volume 09 dos PCNs) Compreensão de textos curtos e simples em Língua Inglesa. Robótica (Conteúdo específico) Códigos: construção e interpretação de códigos de programação simples. Sensores: contagem de pulsos de encoder; medida de deslocamento; funcionamento de sensor de toque; conhecimento de tipos de sensores básicos e suas aplicações (encoder, sensor de toque, sensor de luz, sensor de cor, sonar, câmera, etc.) 15

16 NÍVEL 4 Competências Esperadas Prova Teórica Baseado nos Parâmetros Curriculares Nacionais - PCN Nível 4 compreende as séries finais do Ensino Fundamental II (4º Ciclo dos PCNs 7ª e 8ª série, ou 8º e 9º ano do novo regime) Língua Portuguesa (Volume 02 dos PCNs) Compreensão e interpretação de textos: gêneros diversos; inferência e dedução; contexto; interpretação de recursos figurativos; análise e crítica de forma e conteúdo. Matemática (Volume 03 dos PCNs) Números: racionais; irracionais. Operações: proporção (inversamente e diretamente proporcional); regra de três; equações e inequações de primeiro grau; equações de segundo grau; resolução de problemas com equações de primeiro e segundo grau. Espaço e forma: representação de pontos em plano cartesiano; identificação de ângulos congruentes, complementares e suplementares; Teorema de Tales; Teorema de Pitágoras. 16

17 Grandezas e medidas: cálculo de área, perímetro e volume; algarismos duvidoso, significativo e erro de medida. Tratamento da informação: interpretação de gráficos de colunas e histogramas; compreensão de média, moda e mediana. Geografia (Volume 05 dos PCNs) Cartografia; pontos cardeais; coordenadas geográficas. Língua Estrangeira (Volume 09 dos PCNs) Compreensão de textos em Língua Inglesa. Robótica (Conteúdo específico) Códigos: construção e interpretação de códigos de programação mais elaborados. Sensores: identificação, princípio de funcionamento e aplicação de sensores básicos (encoder, sensor de toque, sensor de luz, sensor de cor, sonar, câmera, etc.). Atuadores: identificação e aplicação de atuadores básicos (motor de passo, motor CC, atuador pneumático, etc.). Elementos de mecânica: identificação e aplicação de elementos de mecânica básicos (rodas, engrenagens, alavancas, etc.) 17

18 Manual de Estudos NÍVEL 5 Ensino Méd io Competências Esperadas Prova Teórica Conteúdo baseado na matriz de referência do ENEM Nível 5 compreende todos os anos do Ensino Médio ou Técnico. Como a robótica é um assunto multidisciplinar não se espera do aluno conhecimento aprofundado de cada item dos conteúdos listados aqui, mas noções de cada um deles que permitam estabelecer relações entre estes assuntos e elaborar soluções para problemas que envolvem várias áreas do conhecimento. Assim, o conteúdo programático aplicado a este nível acrescenta aos assuntos abordados em níveis anteriores: Ciências da Natureza, Matemática e suas Tecnologias Matemática Números: reais. 18

19 Operações: desigualdades; divisibilidade; fatoração; razões e proporções; porcentagem e juros; relações de dependência entre grandezas; sequências e progressões; princípios de contagem. Espaço e forma: características das figuras geométricas planas e espaciais; posições de retas; simetrias de figuras planas ou espaciais; congruência e semelhança de triângulos; relações métricas nos triângulos; circunferências; paralelismo e perpendicularidade. Grandezas e medidas: unidades de medida e escalas; comprimentos, áreas e volumes; ângulos. Tratamento da informação: representação e análise de dados; medidas de tendência central (médias, moda e mediana); desvios e variância; noções de probabilidade. Álgebra: gráficos e funções; funções algébricas de 1º e 2º graus, polinomiais, racionais, exponenciais e logarítmicas; equações e inequações; relações no ciclo trigonométrico e funções trigonométricas; sistemas de equações. Física Conhecimentos básicos e fundamentais: ordem de grandeza; notação científica; Sistema Internacional de Unidades; gráficos e vetores; conceituação de grandezas vetoriais e escalares; operações básicas com vetores. Grandezas fundamentais da mecânica: tempo, espaço, velocidade e aceleração; descrições do movimento e sua interpretação: quantificação do movimento e sua descrição matemática e gráfica; noção de sistemas de referência inerciais e não inerciais; momento de uma força (torque). Energia, trabalho e potência: conceituação de trabalho, energia e potência; conceito de energia potencial e de energia cinética; conservação de energia mecânica e dissipação de energia; forças conservativas e dissipativas. Fenômenos elétricos e magnéticos: blindagem; capacitores; Efeito Joule; Lei de Ohm; resistência elétrica e resistividade; relações entre grandezas elétricas: tensão, corrente, potência e energia; circuitos elétricos simples; correntes contínua e alternada; medidores elétricos; representação gráfica de circuitos; símbolos convencionais; potência e consumo de energia em dispositivos elétricos; campo magnético; imãs permanentes; linhas de campo magnético; campo magnético terrestre. Oscilações, ondas, óptica e radiação: feixes e frentes de ondas; reflexão e refração; óptica geométrica: lentes e espelhos; formação de imagens; instrumentos ópticos simples; fenômenos 19

20 ondulatórios; pulsos e ondas; período, frequência, ciclo; propagação: relação entre velocidade, frequência e comprimento de onda; ondas em diferentes meios de propagação. Calor e temperatura: escalas termométricas; transferência de calor e equilíbrio térmico; condução do calor; dilatação térmica; aplicações e fenômenos térmicos de uso cotidiano. Química Transformações químicas: energia calorífica; calor de reação; energia elétrica; potencial padrão de redução; pilha; eletrólise; Leis de Faraday; energia nuclear. Conceitos fundamentais da radioatividade: reações de fissão e fusão nuclear. Energias: petróleo, gás natural e carvão; biomassa; biocombustíveis; impactos ambientais de combustíveis fósseis; energia nuclear; lixo atômico; vantagens e desvantagens do uso de energia nuclear. Biologia Hereditariedade e diversidade da vida: princípios básicos que regem a transmissão de características hereditárias; mutações gênicas e cromossômicas; fundamentos genéticos da evolução; aspectos genéticos da formação e manutenção da diversidade biológica. Ciências Humanas e suas tecnologias Revolução Industrial: criação do sistema de fábrica na Europa e transformações no processo de produção; formação do espaço urbano-industrial; transformações na estrutura produtiva no século XX: o Fordismo, o Toyotismo, as novas técnicas de produção e seus impactos; a globalização e as novas tecnologias de telecomunicação e suas consequências econômicas, políticas e sociais. Cartografia: projeções cartográficas; leitura de mapas temáticos, físicos e políticos; tecnologias modernas aplicadas à cartografia. Língua Estrangeira Compreensão de textos em Língua Inglesa. Robótica Códigos: construção e interpretação de códigos de programação elaborados. Sensores: identificação, princípio de funcionamento e aplicação de sensores (encoder, sensor de toque, sensor de luz, sensor de cor, sonar, câmera, ultrassom, bússola, acelerômetro, 20

21 giroscópio, etc); medida de distância e posição com odometria (usando encoders); orientação inercial (Roll, Pitch, Yaw). Atuadores: identificação, princípio de funcionamento e aplicação de atuadores básicos (motor de passo, motor CC, servo-motor, atuador pneumático, válvula solenoide, etc.). Elementos de mecânica: identificação, princípio de funcionamento e aplicação de elementos de mecânica básicos (rodas, engrenagens, alavancas, etc.). Eletrônica: modulação por largura de pulso (PWM); ponte H; relés; contatos normalmente aberto (NA) e normalmente fechado (NF); noção básica de microcontroladores (Atmega/Arduino, PIC, Raspberry Pi, etc.); portas de entrada/saída digital; portas de entrada/saída analógica. 21